Biologie-Kennis.nl

 

 

De polariteit van water moleculen zorgt voor waterstof bindingen.

Water is zo normaal voor ons dat we vaak vergeten hoe belangrijk het is en wat voor belangrijke functies het voor ons vervult. Hoe water werkt en beweegt is volledig te wijden aan de opbouw van zijn atomen. Het water is een simpel molecuul met de vorm van een (v), de waterstof atomen zit vast aan het zuurstof atoom. Omdat zuurstof veel elektronegatief is dan waterstof zijn de elektronen van waterstof dichterbij de zuurstof nucleus, deze ongelijke verdeling zorgt er voor dat water een polaire molecuul is, hiermee bedoelen we dat beide einden van het molecuul een andere lading heeft. Het zuurstof gedeelte heeft een negatieve lading ( δ -) en het waterstof gedeelte heeft een positieve lading ( δ +). De eigenschappen van het water zijn mede te wijten aan zijn polaire moleculen, het licht positieve waterstof molecuul is aangetrokken door licht negatieve zuurstof molecuul. De twee moleculen worden hier bij elkaar gehouden door waterstofbinding. Wanneer water zich in een vloeibare vorm bevindt zijn de waterstof bindingen er zwak, hier hebben ze een kracht 1/20 van een covalente binding. De waterstof bindingen breken en vormen elke keer opnieuw met een enorm hoge snelheid. Elke triljoenste van een seconde vormen en breken ze de binding opnieuw. Om deze reden zijn er altijd waterstofbruggen in het water. de buitengewone eigenschappen van water zijn emergente eigenschappen met als gevolg waterstofbruggen die er voor zorgen dat moleculen in een hoger niveau van de structurele organisatie komen.

Cohesie

Watermoleculen blijven dicht bij elkaar als gevolg van waterstofbruggen. Hoewel de regeling van moleculen in een monster van vloeistof voortdurend verandert, zijn op een gegeven moment veel van de moleculen verbonden door de meervoudige waterstofbruggen. Deze verbindingen maken water meer gestructureerd dan de meeste andere vloeistoffen. Als collectief, houden de waterstofbruggen de stof bij elkaar, een verschijnsel wat we cohesie noemen. Cohesie door waterstofbruggen draagt bij aan het transport van water en opgeloste voedingsstoffen tegen de zwaartekracht in bij planten. water uit de wortels bereikt de bladeren via een netwerk van water-geleidende cellen. Als water verdampt uit een blad zorgen de waterstof bruggen ervoor dat het water vanuit de wortel naar het blad getrokken wordt. Adhesie, het vasthouden van een stof aan een andere, speelt ook een rol. hechting van water aan de celwanden door waterstofbruggen gaat het neerwaartse trekken van de zwaartekracht tegen. Water heeft een grotere oppervlaktespanning dan de meeste andere vloeistoffen. Op het grensvlak tussen het water en de lucht is een geordende opstelling van water. Dit maakt het dat water zicht kan gedragen als het bekleed is met een onzichtbare vliesje. Je kunt de oppervlaktespanning van het water observeren door het drinkglas net iets over het randje te vullen. Het water staat dan net iets boven het randje. In een meer biologische zin kunnen zo kunnen sommige dieren staan, lopen, of rennen op het water zonder dat het oppervlak breekt.

Water en de temperatuur van de aarde.

Water veranderd de luchttemperatuur door warmte uit de lucht op te nemen als de lucht warmer is en warmte aan de lucht te geven als deze kouder is. Water is een effectieve warmte geleider. Dit omdat het veel warmte kan afgeven en opnemen zonder dat zijn eigen temperatuur erg veranderd. Om dit vermogen van water goed te begrijpen moeten we eerst kort kijken naar warmte en temperatuur.

 

Warmte en de temperatuur.

Alles dat beweegt heeft een kinetische energie, kinetische energie is de energie van beweging. Atomen en moleculen hebben kinetische energie omdat ze altijd in beweging zijn. Ze bewegen niet altijd in een bepaalde richting maar in alle richtingen. Hoe sneller een molecuul beweegt hoe hoger zijn kinetische energie. Warmte is een vorm van energie. Warmte is een meeteenheid voor de materie zijn totale kinetische energie, dit omdat de moleculen atomen altijd in beweging zijn. Warmte is dus in een zekere zin ook afhankelijk van de grote van de materie. Hoewel warmte gerelateerd wordt aan temperatuur zijn ze niet hetzelfde. Temperatuur is een meeteenheid van warmte dat de gemiddelde kinetische energie weergeeft van moleculen ongeacht hun volume. Wanneer water wordt opgewarmd dan vers nellen de moleculen, de thermometer meet dit als een verhoging in de temperatuur van het water. Hoewel het water uit een verwarmde koffiepot hogere temperatuur heeft is de kinetische energie lager dan die in een koeler zwembad, dit heeft te maken met de hoeveelheid water. Wanneer voorwerpen van verschillende temperaturen bij elkaar worden gebracht, gaat de warmte over van het warmere naar het koeler object totdat de twee objecten dezelfde temperatuur hebben. Moleculen in het koelere object versnellen ten koste van de kinetische energie van het warmere object. Een ijsblokje koelt een drankje niet af door het toevoegen van koud water aan de vloeistof, maar door het absorberen van de warmte van de vloeistof, hierdoor smelt het ijs. Met de Celsius schaal wordt de temperatuur aangegeven. Op zeeniveau bevriest water op 0 graden Celsius en kookt het op 100 graden Celsius. De temperatuur van het menselijk lichaam zit rond de 37 graden Celsius en een comfortabele kamer temperatuur ligt rond de 20-25 graden Celsius. Calorie is de hoeveelheid warmte er nodig is om 1gram water te laten stijgen met 1 graden Celsius. Een kilocalorie is de hoeveel warmte die er nodig is om 1 liter water te laten stijgen met 1 graad Celsius.

De warmte van water.

Het vermogen van het water om de temperatuur te stabiliseren komt voort uit haar hoge soortelijke warmte. De soortelijke warmte van een stof wordt gedefinieerd als de hoeveelheid warmte die moet worden geabsorbeerd of verloren gaat voor 1 gram van die stof om de temperatuur te veranderen met 1 Celsius. We weten de soortelijke warmte van water al omdat we de calorie hebben gedefinieerd als de hoeveelheid warmte die 1g water laat stijgen met 1 graad Celsius. De soortelijke warmte van water is 1 calorie per gram per graad Celsius, afgekort als 1 cal / g / c. In vergelijking met de meeste andere stoffen, water heeft een ongewoon hoge soortelijke warmte. Bijvoorbeeld, ethylalcohol, het soort alcohol in alcoholische dranken, heeft een soortelijke warmte van 0,6 cal / g / c. Dat betekent dat er slechts 0,6 cal nodig is om de temperatuur van 1g van ethylalcohol verhogen met 1 graden Celius. Vanwege de hoge soortelijke warmte van het water ten opzichte van andere materialen, zal de temperatuur van water minder veranderen als het water warmte of koude verliest. Om die reden kunt u uw vingers branden door het aanraken van de zijde van metalen pot op het vuur wanneer het water in de pot is nog steeds koud is. Dit komt doordat de soortelijke warmte van water is 10 keer groter dan dat van ijzer. De hoge soortelijk warmte van water komt, net als veel van zijn andere eigenschappen, door waterstofbruggen. Warmte moet worden opgenomen om waterstofbruggen te breken, en warmte wordt vrijgegeven wanneer waterstofbruggen vormen. Een calorie van warmte veroorzaakt een relatief kleine verandering in de temperatuur van het water, omdat een groot deel van de warmte wordt gebruikt om waterstofbruggen te vormen voordat de water moleculen sneller gaan bewegen. Wat is de relevantie van hoge soortelijke warmte water voor het leven op aarde? Een grote hoeveelheid warmte die water kan absorberen en opslaan van de zon overdag en tijdens de zomer, terwijl het maar een paar graden stijgt. En 's nachts en in de winter, kan het geleidelijk warmte afgeven aan de koele lucht. Dit is de reden kustgebieden over het algemeen milder klimaat hebben dan in het binnenland. De specifieke warmte van het water stabiliseert de oceaan temperaturen, om zo een gunstig klimaat te creeeren voor het water leven. Vanwege zijn hoge soortelijke warmte en het feit dat water het grootste deel van de aarde bestrijkt houdt temperatuurschommelingen op het land en in het water binnen de grenzen die gunstig zijn voor het leven. Omdat organismen voornamelijk bestaan uit water zijn ze beter in staat om veranderingen in hun eigen temperatuur te weerstaan dan wanneer ze van een vloeistof met een lagere soortelijke warmte zouden bestaan.

Koeling door verdamping.

Moleculen blijven dicht bij elkaar doordat ze elkaar aantrekken. Moleculen die snel genoeg bewegen kunnen deze bindingen verbreken en komen dan in de lucht als een vorm van gas. De transformatie van vloeistof naar gas noemen we verdamping. Denk eraan dat de snelheid van de moleculen varieert en dat de temperatuur een gemiddelde is van de kinetische energie van de moleculen. Zelfs in lage temperaturen kunnen de snelste moleculen nog verdampen. Verdampen van sommige stoffen gebeurd bij elke temperatuur. Denk maar aan een glas water wat ook uiteindelijk verdampt. Als de vloeistof verwarmd word en de kinetische energie stijgt zal het verdampen ook sneller gaan. De hitte van de verdamping is de hoeveelheid hitte die een vloeistof moet absorberen om 1 gram vloeistof om te zetten naar een gas. Water heeft naast een hoge soortelijke warmte ook een hoge verdampingswaarde, hiermee willen we zeggen dat het langer duurt om water te verdampen dan een ander vloeibare stof. Dit heeft ook weer te maken met waterstof bruggen. De hoeveelheid energie die er nodig is om water te verdampen heeft een groot aantal effecten. Op een wereldschaal helpt het de temperatuur van de aarde op een goed niveau te houden. Een grote hoeveelheid van de hitte van de zon wordt geabsorbeerd door het water terwijl het overgaat in een gasvorm. Terwijl de tropische warmte in de vorm van gas richting de polen gaat verliest het warmte en condenseert het weer en geeft het warmte af aan de omgeving. Op een kleinere schaal zorgt de hoge hitte van verdamping voor stoom brandwonden. De verdampende werking van water heeft veel invloed op de temperatuur in meren, vrijvers en zorgt er ook voor dat land dieren niet oververhit raken. Denk hierbij maar aan het zweten van mensen, water dat bij de planten hun bladeren verlaat.

Isolatie van water door het drijven van ijs.

Water is een van de weinig substanties waarvan de vaste vorm minder dicht is dan de vloeibare vorm. Door deze eigenschap blijft ijs(vaste vorm van water) op het vloeibare water drijven. Water in vaste vorm zet uit terwijl andere substanties inkrimpen. Dit komt opnieuw door waterstofbruggen. Bij een temperatuur vanaf 4 graden Celsius gedraagt water zich net als andere vloeistoffen, het zet uit als het opwarmt and krimpt als het afkoelt. Water begint te bevriezen zodra de moleculen niet zo snel meer bewegen dat ze de waterstofbruggen kunnen breken. Zodra het water op 0 graden Celsius komt blijft het water in een vaste staat, elke waterstofmolecuul via waterstofbruggen gebonden aan vier andere moleculen. De waterstofbruggen houden de moleculen ver genoeg uit elkaar om water in vaste vorm 10% minder dicht te maken dat water in vloeistof vorm. Dit wil zeggen dat er 10% minder moleculen waterstof in een volume zitten van 0 graden Celsius dan er in water van 4 graden Celsius zit. Wanneer ijs genoeg hitte absorbeert om zijn temperatuur boven 0 graden Celsius te krijgen zullen de waterstofbruggen breken. Het ijs valt in elkaar en smelt. De moleculen kunnen weer dichter bij elkaar komen. Water heet de hoogste dichtheid bij een temperatuur van 4 graden Celsius, daarna begint het uit te zetten omdat de moleculen weer sneller gaan bewegen. Denk er wel aan dat in vloeibaar water altijd waterstofbruggen voorkomen, alleen worden bij hogere temperaturen de waterstofbruggen sneller gevormd en gebroken. Dat het ijs drijft op het water is een belangrijke reden dat het leven op aarde mogelijk is. Als ijs zou zinken zou de bodem van meren en vijvers bevriezen en uiteindelijk al het water bevriezen waardoor er geen leven in het water mogelijk zou zijn. Als water bevriest zorgt het er voor dat de laag water die er onder zit niet bevriest, zou dit niet gebeuren dat zou al het leven onder de ijslaag bevriezen.

De oplossing die belangrijk is voor het leven.

Een suiker klontje in een glas water zal oplossen, het glas bevat dat een mix van suiker met water. De concentratie van suiker zal overal in het glas gelijk zijn. een mix van meerdere stoffen die geheel homogeen is word een oplossing genoemd. De opgeloste stof noemen we een opgeloste stof en de stof waarin het word opgelost noemen we een oplosmiddel. In dit geval is water het oplosmiddel en suiker de opgeloste stof. In een waterige oplossing is water het oplosmiddel. Wetenschappers probeerden lang om een oplosmiddel te vinden wat bijna alles kon oplossen. Ze zijn er achter gekomen dat niks beter stoffen oplost dan water. Maar water is geen universeel oplosmiddel, als dit zo was dan zou het alles oplossen waarin het zich bevind. Water is wel een goed oplosmiddel wat veel kan oplossen dit valt weer te wijden aan de polariteit van het water molecuul. Stel bijvoorbeeld dat een lepel keukenzout, keukenzout is de ionische verbinding van natriumchloride, geplaatst wordt in het water. Op het oppervlak van elke korrel van kristal zout worden de natrium en chloride ionen blootgesteld aan het oplosmiddel. deze ionen en de watermoleculen hebben een onderlinge verwantschap als gevolg van de aantrekkingskracht tussen tegengestelde ladingen. Het zuurstof gedeelte van het watermolecuul is negatief geladen en trekt de natrium atomen aan. De waterstof atomen zijn positief geladen en trekken de chloride atomen aan. Hierdoor zal waterstof zich om een chloride ion vormen terwijl zuurstof zich om een natrium ion vormt. Door dit gebeuren worden de natrium en chloride ionen van elkaar gescheiden. De bol van waterstof atomen om een ion noemen we een hydratie shell.

Hydrofobe en Hydrofiele substanties.

Elke stof die een affiniteit heeft voor water wordt hydrofiel genoemd. In sommige gevallen kunnen stoffen hydrofiele zijn zonder daadwerkelijk op re lossen in water. Sommige moleculen in cellen zijn zo groot dat ze niet kunnen oplossen. In plaats daarvan blijven ze opgesloten in de cellen, een dergelijk mengsel is een voorbeeld van een colloïde, een stabiele suspensie van fijne deeltjes in een vloeistof. Een ander voorbeeld van een hydrofiele stof die niet te ontbinden is katoen, een plant product. Katoen bestaat uit grote moleculen van cellulose, een verbinding met tal van regio's van gedeeltelijke positieve en gedeeltelijk negatieve ladingen die samen waterstofbruggen vormen met water. Water houdt zich vast aan de cellulose vezels. Zo kan een katoenen handdoek een groot deel van het lichaam drogen, maar lost hij niet op in de wasmachine. Cellulose is ook aanwezig in de muren van water-geleidende cellen in een plant. Er zijn, natuurlijk ook stoffen die niet een affiniteit hebben voor water. Van deze stoffen wordt gezegd dat ze hydrofoob zijn. Een voorbeeld in de keuken is plantaardige olie, die, zoals u weet, niet goed is te mengen met water. Het hydrofobe gedrag van de olie-moleculen komt door een stof van relatief non-polaraire bindingen, in dit geval bindingen tussen koolstof en waterstof. Hydrofobe moleculen in verband met oliën zijn belangrijke ingrediënten van celmembranen. Stel je voor dat het celmembraan oplost!

Oplossing concentratie in waterige oplossingen.

Biologische chemie is "natte" chemie. Het merendeel van de chemische reacties in organismen worden de opgeloste stoffen in water opgelost. Om deze reacties te begrijpen, moeten we weten hoeveel atomen en moleculen betrokken zijn en moeten we in staat zijn om de con-centratie van opgeloste stoffen te berekenen in een waterige oplossing.

Bij het uitvoeren van experimenten, maken we gebruik van massa voor de berekening van het aantal moleculen. We weten wat de massa van elke atoom in een molecuul is, dus weten we zijn moleculaire massa, die gewoon is de som is van de massa's van alle atomen in een molecuul. Als voorbeeld, berekenen we de massa van tafel suiker (sacharose), die de moleculaire formule C₁₂H₂₂0_n heeft. In afgeronde getallen van dalton, is de massa van een koolstofatoom 12, de massa van een waterstofatoom is 1, en de massa van een zuurstof atoom is 16. Sacharose heeft dus een moleculaire massa van 342 dalton. Natuurlijk is het gewicht bereken in kleine hoeveelheden niet practisch. Om deze reden geven we meestal gemeten stoffen weer in eenheden genaamd mol. Net als een dozijn altijd 12 voorwerpen is , is een mol (mol) een exact aantal objecten -6,02 X 1023, dit heet het getal van Avogadro. Door de manier waarop het getal van Avogadro en de eenheid Dalton oorspronkelijk werden gedefinieerd, zijn er 6,02 X 1023 dalton in 1 g. Dit is belangrijk, want zodra we de moleculaire massa van een molecuul te bepalen, zoals sacharose, kunnen we hetzelfde nummer (342) gebruiken maar dan met de eenheid gram. Om 1 mol sacharose verkrijgen in het lab, zij we dus 342 g nodig.
Het praktische voordeel van de meting van een hoeveelheid van chemicaliën in mol is dat in elke mol altijd even veel moleculen van de zelfde stof zitten. Als de moleculaire massa van stof A 342 dalton is en de massa van stof B 10 dalton. Dan zal de 342 g van stof A hetzelfde aantal moleculen hebben als 10 g van stof B. Een mol van ethylalcohol (C2H60) bevat ook 6,02 X 1,023 mol, maar de massa is slechts 46 g, omdat de massa van een molecuul van ethylalcohol minder zwaar is dan die van een molecuul van sucrose. Meten in mol maakt het gemakkelijker voor wetenschappers om te werken in het laboratorium en om stoffen combineren in vaste verhoudingen van moleculen.
Hoe zouden we een liter (L) van de oplossing maken, bestaande uit 1 mol sacharose opgelost in water? De regel is om 342 g sucrose geleidelijk te mengen met water, al roerend, tot de suiker volledig is opgelost. We zouden dan genoeg water moeten toevoegen aan het totale volume van de oplossing tot 1 L. Op dat moment hebben we (1 M) oplossing van sucrose. Molariteit het aantal mol opgeloste stof per liter oplossing is de eenheid van de concentratie. Deze wordt het meest gebruikt door biologen voor waterige oplossingen.

Zure en basische stoffen hebben invloed in het leven van organismen.

Waterstof atomen zijn niet constant verbonden met de dezelfde waterstof atomen maar gaan bindingen aan met verschillende atomen. Wanneer dit gebeurt laat het waterstofatoom zijn elektron achter, en wat overblijft is een waterstof-ion (H +), een enkel proton met een lading van 1 +.Het water molecuul dat een proton verloren heeft is nu een hydroxide ion (OH-), die een heffing van - 1 heeft.De proton bindt aan de andere watermolecuul, waardoor deze molecule een hydronium ion (H30 +) wordt.We kunnen foto van de chemische reactie op deze manier: Bedenk echter dat H + op zichzelf niet bestaat in een waterige oplossing. Dit wordt altijd geassocieerd met een ander watermolecuul in de vorm van H30 +(hydroniumion). Zoals aangegeven door de dubbele pijlen, dit is een omkeerbare reactie die een toestand van dynamisch evenwicht bereikt wanneer water moleculen uit elkaar gaan met de zelfde snelheid als dat ze opnieuw vormen. Op dit evenwichts punt is de concentratie van watermoleculen hoger dan de concentratie van H + en OH-. In zuiver water is slechts een watermolecuul per 554 miljoen losgekoppeld. De concentratie van elk ion in zuiver water is 10-7 M (bij 25 ° C). Dit betekent dat er slechts een op de tien miljoen mol van waterstof ionen per liter zuiver water zijn en een gelijk aantal hydroxide-ionen.Hoewel de dissociatie van water omkeerbaar is en statistisch zeldzaam, is het buitengewoon belangrijk is in de chemie van het leven. H+(waterstof ion) en OH-(Hydroxide ionen) zijn zeer reactief. Veranderingen in hun concentratie kan drastische gevolgen hebben voor cellen, eiwitten en andere complexe moleculen.Zoals we hebben gezien zijn de concentraties van H + en OH- gelijk in zuiver water. Maar het toevoegen van bepaalde vormen van opgeloste stoffen, de zogenaamde zuren en basen, verstoort dit evenwicht. Biologen gebruiken de pH schaal om te meten hoe zuur of basisch een oplossing is.

De effecten van de verandering van de pH waarde in vloeistoffen.

Voordat we beginnen met de pH schaal gaan we eerst kijken wat zuren en basen zijn en hoe ze reageren met water. Wat zorgt er nou voor dat waterig oplossen hun balans tussen H+ en OH- niet op orde hebben. Wanneer zuren oplossen in water voegen ze extra H+ ionen toe aan de oplossing. Een zuur is een substraat dat de waterstof ionen in een concentratie verhoogd. Wanneer waterchloride wordt toegevoegd aan water zal de waterstof ionen hun binding verbreken met de chloride ionen.

HCl ------- à H+ + Cl -

Deze bron van waterstofionen zorgt ervoor dat de stof zuur wordt, dit komt omdat er meer waterstof ionen in de stof zitten dan OH- ionen. Een substraat dat de waterstof ionen in een oplossing verminderd noemen we een basische oplossing. Sommige basen reduceren de H+ concentratie direct omdat ze waterstof Ionen(H+) binden. Ammoniak(NH3) bijvoorbeeld reageert als een base omdat hier de waterstof ionen direct reageren met de ongedeelde elektronen van Ammoniak hierdoor wordt Ammoniak een Ammonium ion(NH4+)

NH3 + H+ -- à NH4+

De pH buffers

De interne pH van de meeste levende cellen ligt dichtbij 7. Zelfs een kleine verandering in de pH kan gevaarlijk zijn omdat de chemische processen van de cel zeer gevoelig zijn voor de concentraties vanwaterstof ionen en hydroxide-ionen.
De pH van menselijk bloed ligt op 7.4, deze waarde is licht basisch. Een persoon overleeft het niet langer dan een paar minuten als de bloed- pH daalt tot 7 of stijgt tot 7.8. Een chemisch systeem in het bloed zorgt ervoor dat het bloed een stabiele pH onderhoudt. Als je 0,01 mol van een sterk zuur toevoegt aan een liter zuiver water, dan daalt de pH van 7,0 tot 2,0. Als dezelfde hoeveelheid zuur wordt toegevoegd aan een liter bloed, is de pH- daling slechts van 7,4 tot 7,3 gedaald. Waarom heeft de toevoeging van zuur zo veel minder effect op de pH van het bloed dan op de pH van het water? De aanwezigheid van substanties genoemd buffers zorgen voor een relatief constante pH in biologische vloeistoffen ondanks de aanvulling van zuren of basen. Buffers zijn stoffen die de verandering minimaliseren in de concentraties van H + en OH- in een oplossing. Ze doen dat door het opnemen van waterstof- ionen uit de oplossing wanneer er te veel zijn en doneren van waterstof- ionen aan de oplossing wanneer er te weinig zijn. De meeste buffer oplossingen bestaan uiteen zwak zuur en de bijbehorende basis, die omkeerbaar combineren met waterstof- ionen. Er zijn verschillende buffers die bijdragen aan de stabiliteit pH in menselijk bloed en vele andere biologische oplossingen. Een van deze is koolzuur (H2CO3) dit wordt gevormd CO2 reageert met water in bloed plasma. Zoals eerder vermeld, koolzuur breekt op in een bicarbonaat-ion opbrengst (HC03 -) en een waterstof-ion (H +).
Het chemisch evenwicht tussen koolzuur en Bicarbonaat fungeert als een pH-regulator, verschuift de reactie naar links of rechts wanneer andere stoffen waterstof- ionen aan de oplossing toevoegen of afhalen. Als de H + concentratie in het bloed begint te dalen (dat wil zeggen, als de pH stijgt), dan zal de reactie meer naar recht neigen en de oplossing aanvullen met waterstof- ionen. Maar als H + concentratie in het bloed begint te stijgen (bij pH druppels), dan zal de reactie meer naar links neigen met HC03(de basis) verwijderd de waterstof -ionen uit de oplossing en vormt zo HzC03. Zo zorgt het koolzuur- bicarbonaat buffer systeem dat de waarde van oplossingen gelijk blijft.

Bedreigingen voor de kwaliteit van water op aarde.

Gezien dat het belang van water voor het leven erg groot is, is de vervuiling van rivieren, meren, zeeën, en regen is een belangrijk milieuprobleem. Veel bedreigingen voor de waterkwaliteit zijn veroorzaakt door menselijke activiteiten. Neem bijvoorbeeld de verbranding van fossiele brandstoffen (kolen, olie en gas). Die is toegenomen sinds de Industriële Revolutie in de jaren 1800. Deze laat veel gasvormige verbindingen los in de atmosfeer. Hierbij komt ook nog eens de grote hoeveelheden CO2 die in de atmosfeer worden gedumpt. De chemische reacties van deze oplossingen met water verandert het evenwicht van de natuur die zorgt voor het leven op aarde. Dit komt door het aantasten van het water pH en de stijgende temperatuur.
De verbranding van fossiele brandstoffen is een belangrijke bron van zwaveloxiden en stikstofoxiden. Deze reageren met water in de lucht te vormen sterke zuren, die vallen weer naar de aarde met regen of sneeuw. Zure neerslag verwijst naar regen, sneeuw, of mist met een pH lager (meer zuur) dan de pH waarde van 5.2. (onvervuilde regen heeft een pH van ongeveer 5,6, licht zuur, als gevolg van de vorming van koolzuur uit koolstofdioxide en water.) Elektrische centrales die steenkool verbranden produceren meer van deze oxiden dan enige andere bron van vervuiling. Wind voert de verontreinigende stoffen af, en de zure regen valt honderden kilometers verderop van de industriële centra. In bepaalde gebieden in Pennsylvania en New York, was de pH van de neerslag in december 2001 gemiddeld 4.3, ongeveer 20 keer erger dan normale zure regen. Zure neerslag valt op veel andere regio's, onder andere het oosten van Canada, de Cascade Mountains van de Pacific noordwesten, en bepaalde delen van Europa en Azië.
Zure neerslag brengt schade toe aan het leven in meren en rivieren ook. Zure neerslag die op het land valt heeft negatief effect op de bodemchemie en heeft een in tal van Noord Amerikaanse en Europese bossen voor problemen gezorgd of totale afsterving.Kooldioxide, het belangrijkste bijproduct van de verbranding van fossiele brandstoffen, veroorzaakt andere problemen. De uitstoot van koolstofdioxide in de atmosfeer is gestaag toegenomen en zal naar verwachting verdubbelt zijn tegen het jaar 2065 ten opzichte van het niveau in 1880. Ongeveer de helft van de CO2 blijft in de atmosfeer, die optreedt als een reflecterende deken over de aarde die warmte uitstraling voorkomt in de ruimte. Een deel van de CO2 wordt opgenomen door bomen en andere organismen tijdens de fotosynthese. De rest ongeveer 30% wordt geabsorbeerd door de oceanen. Ondanks de enorme hoeveelheid water in de oceanen zijn wetenschappers bezorgt dat de de absorptie van zo veel CO2 het zeeleven en hun ecosystemen zal schaden.
Wanneer CO2 lost op in zeewater, reageert het met water (H20) om zo koolzuur (H2C03) te vormen. Bijna alle van de koolzuur moleculen breken en produceren protonen en produceren een evenwicht tussen twee ionen, bicarbonaat (HC03 -) en carbonaat (C032-). Als de oceaan verzuurt als gevolg van de extra protonen, verschuift het evenwicht naar HC03 -, hierdoor verlaagt de concentratie van C032-. Talrijke studies hebben aangetoond dat verkalking, de productie van calciumcarbonaat (CaC03) van koralen en andere organismen, direct wordt beïnvloed door de concentratie van de C032- . Elke daling van de C032- is daarom van groot belang omdat de verkalking verantwoordelijk is voor de vorming van koraalriffen in onze tropische zeeën. Deze gevoelige ecosystemen fungeren als toevluchtsoorden voor een grote diversiteit van organismen.
Wellicht een van de bekendste en langste studies over koraalrif verkalking is uitgevoerd door wetenschappers van het ecosysteem centrum in Arizona bekend als Biosphere-2. Het centrum omvat een kunstmatig koraalrif systeem waarin de temperatuur en de chemie van het zeewater kan worden gecontroleerd en gemanipuleerd.